多巴胺代谢相关长非编码RNA调控飞蝗型变可塑性的机理研究

Animal aggregation is a common phenomenon in nature. Phase change from solitaria to gregaria is the major reason for locust outbreak. The metabolism of neurotransmitters, such as dopamine, plays a central role in the control of locust phase change plasticity. However, little is known about the mechanism underlying the metabolic regulation. Preliminary study revealed that long noncoding RNAs (lncRNA) may be involved into the regulation of phase state changes. Nevertheless it is rarely documented how the lncRNAs control the regulation of neurotransmitter metabolism and phase change plasticity. In this project we will investigate the lncRNAs involving in the regulation of neurotransmitters synthesis and downstream pathways, and modulation of locust phase change plasticity. We’ll establish the relationship between lncRNA-target gene (e.g., Henna)-phase change plasticity by using molecular, biochemical and behaviorial methods. Last, we’ll measure the protein-lncRNA complex poising for expresion regulation. Our study will be the first attempt to examine the regulatory role of lncRNA in neurotransmitter metabolisms, and will establish a model for studying relation between lncRNA and animal behavior. The findings are expected to reveal the regulatory mechanism for locust phase change and direct the control of locust plague.

动物群聚行为是自然界的一个普遍现象，飞蝗从散居到群居的型变可塑性是导致蝗灾形成和暴发的原因。神经递质如多巴胺代谢对飞蝗行为可塑性起关键控制作用，但其代谢通路调控的分子机制并不清楚。初步研究发现长非编码RNA（lncRNA）可能在飞蝗群、散两型分化中对基因表达起调控作用，但是lncRNA在神经递质代谢调节和表型可塑性控制方面的功能鲜有报道。本项目从基因组水平筛选在神经递质生成代谢或者信号转导通路中，与飞蝗型变可塑性相关的lncRNA。通过分子生物学、生物化学和行为学等方法，建立lncRNA-靶标基因（如苯丙氨酸羟化酶编码基因Henna）-型变可塑性三者的相关关系，并揭示调节过程中lncRNA-蛋白复合物相互关系。本研究首次尝试揭示lncRNA对神经递质合成代谢的调控机制，并建立lncRNA和动物行为可塑性的关系模型。该研究结果将对揭示飞蝗型变调节机制和指导蝗灾的控制有重要的理论和实践意义。

动物群聚行为是自然界的一个普遍现象，飞蝗从散居到群居的行为型变是导致蝗灾形成和暴发的原因。长链非编码RNA如何通过神经调节网络来影响飞蝗行为转变的机制还不清楚。我们利用高通量RNA测序的方法筛选得到10,304条长链非编码RNA转录本，描述了长链非编码RNA和mRNA在飞蝗型变的时间过程中的表达变化模式。在型变的时间处理的早期阶段，长链非编码RNA比mRNA的反应更快。分析获得多个在群居化和散居化中均为核心节点的长链非编码RNA。更重要的，发现核富集的lncRNA PAHAL对于多巴胺生物合成和飞蝗行为调控的调节机制。PAHAL对于编码苯丙氨酸羟化酶的PAH基因来说是一个sense的转录本。PAH负责催化以苯丙氨酸为前体的多个生物胺的生成。PAHAL通过激活PAH的表达影响飞蝗脑中多巴胺的产生。另外，PAHAL还能影响飞蝗的种群密度依赖的聚集行为。其中蕴含的分子机制是，PAHAL通过招募有转录因子和剪切因子双功能的丝氨酸/精氨酸富含的剪切因子，SRSF2到PAH的近启动子的位置，来激活PAH的转录。PAHAL的这个共激活作用要求PAHAL/SRSF2复合物与PAH启动子相关的新生RNA的相互作用。因此，我们的数据支持这个lncRNA反馈调节动物行为可塑性的模型。在这个模型中，lncRNA通过一个精密的局部转录环来调节神经递质的产生。这个工作为研究飞蝗的型变提供了新的视角并拓展了对长链非编码RNA调控动物行为的认识。